Physikalisches Institut

Unkonventionelle Josephson-Kontakte und fraktionale Flusswirbel

In konventionellen langen Josephson Kontakten durchdringt ein parallel zum Kontakt angelegtes magnetisches Feld deren Tunnelbarriere in Form von quantisierten Wirbeln (Fluxonen), wobei jeder dieser Wirbel genau ein magnetisches Flussquantum trägt. Vom mathematischen Standpunkt aus betrachtet handelt es sich bei Fluxonen um Solitonen, die sich ungehindert entlang des Kontaktes bewegen können. In den letzten Jahren sind verschiedenste Möglichkeiten vorgeschlagen worden, wie sich Fluxonen zur klassischen und Quanteninformationsverarbeitung einsetzen lassen. Deren Evaluierung und Implementierung ist ein aktueller Gegenstand der Forschung. In jüngster Zeit gelang es, so genannte π-Josephson-Kontakte herzustellen und zu charakterisieren. Betrachtet man deren makroskopische Wellenfunktionen in den beiden supraleitenden Elektroden im Grundzustand des Kontaktes, so stellt man einen Phasenunterschied von π (anstelle von 0) fest.

0- π Kontakte und Fraktionale Flusswirbel

Betrachtet man einen langen Josephson-Kontakt, dessen eine Hälfte ein konventioneller "0"-Kontakt, die andere Hälfte jedoch ein π-Kontakt ist, so kann man die interessantesten Phänomene beobachten. Mittlerweile existieren bereits mehrere Technologien, derartige 0- π-Kontakte herzustellen.

An den Übergangen zwischen 0- und π-Regionen kann es nun zur spontanen Ausbildung eines neuen Vortextyps kommen, eines sogenannten Semifluxons, das im Gegensatz zum Fluxon nur ein halbes magnetisches Flussquantum trägt. Semifluxonen sind an 0- π-Übergängen verankert und besitzen entweder positive oder negative Polarität. Sie sind folglich einem Spin ½ System mit entarteten Energien für die beiden Orientierungen der z-Komponente des Spins vergleichbar. Darüberhinaus lassen sich auch, unter Benutzung spezieller Strominjektoren, noch allgemeinere Übergänge erzeugen, wobei der Phasensprung an der Grenzfläche nicht mehr nur auf π limitiert ist sondern jeden beliebigen Wert annehmen kann. An derartigen Übergängen kommt es zur Ausbildung von Flusswirbeln, die einen beliebigen Anteil κ eines magnetischen Flussquants tragen können (sogenannte κ-Flusswirbel). Da Semifluxonen und κ-Flusswirbel an den Grenzflächen verankert sind, können sie sich nicht bewegen jedoch verformen. Sie können somit als Bindeglied zwischen den unbeweglichen magnetischen Flussquanten in einem supraleitenden Ring und den frei beweglichen Fluxonen in konventionellen langen Josephson-Kontakten aufgefasst werden.

Sowohl von theoretischer wie auch experimenteller Seite wird die Physik fraktionaler Flusswirbel von unserer Gruppe intensiv untersucht.

Übersichtsartikel:

E. Goldobin, R. Kleiner, D. Kölle, W. Schleich, K. Vogel, R. Walser

Fraktionale Flussquanten: Steuerbare "Atome" im Supraleiter,

in Themenheft Forschung "Quantenmaterie" No.5, S.22, Univ. Stuttgart (2008)

Publikationen der Arbeitsgruppe